La produzione di chip è il processo più complesso al mondo oggi. Si tratta di un processo complesso completato da molte aziende leader. Questo articolo si sforza di riassumere questo processo e di fornire una descrizione completa e generale di questo processo complesso.
Esistono molti processi di produzione di semiconduttori e si dice che ci siano centinaia o addirittura migliaia di passaggi. Questa non è un'esagerazione. Una fabbrica con un investimento di miliardi di dollari potrebbe svolgere solo una piccola parte del processo. Per un processo così complesso, questo articolo sarà suddiviso in cinque categorie principali per la spiegazione: produzione di wafer, fotolitografia e incisione, impianto ionico, deposizione di film sottili e confezionamento e collaudo.
1. Processo di produzione dei semiconduttori - produzione di wafer
La produzione di wafer può essere suddivisa nei seguenti 5 processi principali:
(1) Estrazione del cristallo
◈ Il polisilicio drogato viene fuso a 1400 gradi
◈ Iniettare gas inerte argon ad alta purezza
◈ Collocare il "seme" di silicio monocristallino nella massa fusa e ruotarlo lentamente quando viene "estratto".
◈ Il diametro del lingotto monocristallino è determinato dalla temperatura e dalla velocità di estrazione
(2) Il taglio dei wafer utilizza una "sega" di precisione per tagliare il lingotto di silicio in singoli wafer.
(3) Lappatura e incisione delle wafer
◈ Le cialde tagliate vengono macinate meccanicamente utilizzando una smerigliatrice rotante e una sospensione di allumina per rendere la superficie della cialda piana e parallela e ridurre i difetti meccanici.
◈ I wafer vengono quindi incisi in una soluzione di acido nitrurato/acido acetico per rimuovere crepe microscopiche o danni superficiali, a cui fa seguito una serie di bagni di acqua RO/DI ad alta purezza.
(4) Lucidatura e pulizia delle cialde
◈ Successivamente, i wafer vengono lucidati in una serie di processi di lucidatura chimica e meccanica chiamati CMP (Chemical Mechanical Polish). ◈ Il processo di lucidatura include in genere da due a tre fasi di lucidatura utilizzando fanghi sempre più fini e pulizia intermedia utilizzando acqua RO/DI. ◈ Una pulizia finale viene eseguita utilizzando la soluzione SC1 (ammoniaca, perossido di idrogeno e acqua RO/DI) per rimuovere impurità e particelle organiche. Quindi, viene utilizzata HF per rimuovere ossidi nativi e impurità metalliche e infine la soluzione SC2 consente la crescita sulla superficie di nuovi ossidi nativi ultra-puliti. (5) Elaborazione epitassica dei wafer
◈ La crescita epitassiale (EPI) viene utilizzata per far crescere uno strato di silicio monocristallino dal vapore su un substrato di silicio monocristallino ad alte temperature.
◈ Il processo di crescita di uno strato di silicio monocristallino dalla fase vapore è chiamato epitassia in fase vapore (VPE).
SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (tetracloruro di silicio)
La reazione è reversibile, vale a dire che se si aggiunge HCl, il silicio verrà rimosso dalla superficie del wafer.
Un'altra reazione per generare Si è irreversibile: SiH4 → Si + 2H2 (silano)
◈ Lo scopo della crescita EPI è quello di formare strati con concentrazioni diverse (solitamente inferiori) di droganti elettricamente attivi sul substrato. Ad esempio, uno strato di tipo N su un wafer di tipo P.
◈ Circa il 3% dello spessore del wafer.
◈ Nessuna contaminazione delle strutture dei transistor successivi.
2. Processo di produzione dei semiconduttori - Fotolitografia La macchina per fotolitografia, di cui si è parlato molto negli ultimi anni, è solo una delle tante apparecchiature di processo. Anche la fotolitografia ha molte fasi di processo e apparecchiature.
(1) Rivestimento fotoresist
Il fotoresist è un materiale fotosensibile. Una piccola quantità di liquido fotoresist viene aggiunta al wafer. Il wafer viene ruotato a una velocità da 1000 a 5000 RPM, distribuendo il fotoresist in uno strato uniforme di 2-200 µm di spessore. Esistono due tipi di fotoresist: negativo e positivo. Positivo: l'esposizione alla luce può scomporre la complessa struttura molecolare, rendendola facile da sciogliere. Negativo: l'esposizione rende la struttura molecolare più complessa e più difficile da sciogliere. I passaggi coinvolti in ogni fase della fotolitografia sono i seguenti; ◈ Pulisci il wafer ◈ Deposita lo strato barriera SiO2, Si3N4, metallo ◈ Applica il fotoresist ◈ Cottura delicata ◈ Allineamento della maschera ◈ Esposizione grafica ◈ Sviluppo ◈ Cottura ◈ Incisione ◈ Rimozione del fotoresist (2) Preparazione del modello Preparazione del modello I progettisti di circuiti integrati utilizzano software CAD per progettare il modello di ogni strato. Il modello viene poi trasferito su un substrato di quarzo otticamente trasparente (modello) utilizzando un generatore di modelli laser o un fascio di elettroni.
(3) Trasferimento del modello (esposizione) In questo caso, viene utilizzata una macchina fotolitografica per proiettare e copiare il modello dal modello sullo strato del chip.
(4) Sviluppo e cottura ◈ Dopo l'esposizione, il wafer viene sviluppato in una soluzione acida o alcalina per rimuovere le aree esposte del fotoresist. ◈ Una volta rimosso il fotoresist esposto, il wafer viene "cotto" a bassa temperatura per indurire il fotoresist rimanente.
3. Processi di produzione di semiconduttori - Incisione e impianto ionico (1) Incisione a umido e a secco ◈ L'incisione chimica viene eseguita su una grande piattaforma bagnata. ◈ Diversi tipi di soluzioni acide, basiche e caustiche vengono utilizzate per rimuovere aree selezionate di materiali diversi. ◈ Il BOE, o mordente all'ossido tamponato, è realizzato con acido fluoridrico tamponato con fluoruro di ammonio e viene utilizzato per rimuovere il biossido di silicio senza incidere lo strato sottostante di silicio o polisilicio. ◈ L'acido fosforico viene utilizzato per incidere gli strati di nitruro di silicio. ◈ L'acido nitrico viene utilizzato per incidere i metalli. ◈ Il fotoresist viene rimosso con acido solforico. ◈ Per l'incisione a secco, il wafer viene posizionato in una camera di incisione e inciso dal plasma. ◈ La sicurezza del personale è una preoccupazione primaria. ◈ Molte fabbriche utilizzano apparecchiature automatizzate per eseguire il processo di incisione. (2) Rimozione del resist
Il fotoresist viene quindi completamente rimosso dal wafer, lasciandovi una patina di ossido.
(3) Impianto ionico
◈ L'impianto ionico modifica le proprietà elettriche di aree precise all'interno degli strati esistenti sul wafer.
◈ Gli impiantatori ionici utilizzano tubi acceleratori ad alta corrente e magneti di direzione e focalizzazione per bombardare la superficie del wafer con ioni di specifici droganti.
◈ L'ossido agisce da barriera mentre le sostanze chimiche droganti si depositano sulla superficie e si diffondono al suo interno.
◈ La superficie del silicio viene riscaldata a 900 gradi per la ricottura e gli ioni droganti impiantati si diffondono ulteriormente nel wafer di silicio.
4. Processo di produzione dei semiconduttori - Deposizione di film sottili
Esistono molti modi e contenuti di deposizione di film sottili, che sono spiegati uno per uno di seguito: (1) Ossido di silicio
Quando il silicio è presente nell'ossigeno, SiO2 crescerà termicamente. L'ossigeno deriva dall'ossigeno o dal vapore acqueo. La temperatura ambiente deve essere di 900 ~ 1200 gradi. La reazione chimica che si verifica è
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
La superficie del wafer di silicio dopo l'ossidazione selettiva è mostrata nella figura seguente:
Sia l'ossigeno che l'acqua si diffondono attraverso l'SiO2 esistente e si combinano con Si per formare ulteriore SiO2. L'acqua (vapore) si diffonde più facilmente dell'ossigeno, quindi il vapore cresce molto più velocemente.
L'ossido viene utilizzato per fornire uno strato isolante e di passivazione per formare il gate del transistor. L'ossigeno secco viene utilizzato per formare il gate e uno strato sottile di ossido. Il vapore viene utilizzato per formare uno spesso strato di ossido. Lo strato isolante di ossido è solitamente di circa 1500 nm e lo strato del gate è solitamente compreso tra 200 nm e 500 nm.
(2) Deposizione chimica da vapore
La deposizione chimica da vapore (CVD) forma una pellicola sottile sulla superficie di un substrato attraverso la decomposizione termica e/o la reazione di composti gassosi.
Esistono tre tipi fondamentali di reattori CVD: ◈ Deposizione chimica da vapore atmosferico
◈ CVD a bassa pressione (LPCVD)
◈ CVD potenziata dal plasma (PECVD)
Di seguito è riportato lo schema del processo CVD a bassa pressione.
I principali processi di reazione della CVD sono i seguenti
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 gradi)
Velocità di deposizione 100 - 200 nm /min
Si possono aggiungere fosforo (fosfina), boro (diborano) o gas arsenico. Il polisilicio può anche essere drogato con gas di diffusione dopo la deposizione.
ii). Biossido di silicio Biossido
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 gradi )
SiO2 viene utilizzato come strato isolante o di passivazione. Di solito si aggiunge fosforo per ottenere migliori prestazioni di flusso di elettroni.
iii). Nitruro di silicio Nitruro di silicio
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(Silano) (Ammoniaca) (Nituro)
(3) Sputtering
Il bersaglio viene bombardato con ioni ad alta energia come Ar+ e gli atomi nel bersaglio vengono spostati e trasportati verso il substrato.
Metalli come alluminio e titanio possono essere utilizzati come bersagli. (4) Evaporazione
L'Al o l'Au (oro) vengono riscaldati fino al punto di evaporazione e il vapore si condensa formando una pellicola sottile che ricopre la superficie del wafer.
L'esempio seguente spiegherà in dettaglio come viene formato il circuito sul wafer di silicio passo dopo passo, dalla fotolitografia all'incisione fino alla deposizione ionica:
5. Processo di produzione dei semiconduttori - Test di imballaggio (post-elaborazione)
(1) Test del wafer Una volta completata la preparazione finale del circuito, i dispositivi di prova sul wafer vengono testati utilizzando un metodo di test della sonda automatizzato per rimuovere i prodotti difettosi.
(2) Taglio a cubetti del wafer Dopo il test della sonda, il wafer viene tagliato in chip singoli.
(3) Cablaggio e confezionamento ◈ I singoli chip sono collegati al telaio conduttore e i cavi in alluminio o oro sono collegati tramite compressione termica o saldatura a ultrasuoni. ◈ Il confezionamento è completato sigillando il dispositivo in un pacchetto in ceramica o plastica. ◈ La maggior parte dei chip deve ancora essere sottoposta a test funzionali finali prima di essere inviata agli utenti a valle.
